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起重机械电机控制应用及性能改善
1 绪论
1.1 起重机械的概述
起重机原理：起得机用了定滑轮和动滑轮组成的滑轮组，每个定滑轮改变力的方向一次，每个动滑轮省一半力。
起重机械是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移动重物的机电设备，其范围规定为额定起重量大于或者等于0．5t的升降机；额定起重量大于或者等于1t，且提升高度大于或者等于2m的起重机和承重形式固定的电动葫芦等[1]。
多数起重机械在吊具取料之后即开始垂直或垂直兼有水平的工作行程，到达目的地后卸载，再空行程到取料地点，完成一个工作循环，然后再进行第二次吊运。一般来说，起重机械工作时,取料、运移和卸载是依次进行的,各相应机构的工作是间歇性的。起重机械主要用于搬运成件物品，配备抓斗后可搬运煤炭、矿石、粮食之类的散状物料，配备盛桶后可吊运钢水等液态物料。有些起重机械如电梯也可用来载人[2]。在某些使用场合，起重设备还是主要的作业机械，例如在港口和车站装卸物料的起重机就是主要的作业机械。
1.2 起重机械的分类
起重机械按结构不同可分为轻小型起重设备、升降机、起重机和架空单轨系统等几类。轻小型起重设备主要包括起重滑车、吊具、千斤顶、手动葫芦、电动葫芦和普通绞车，大多体积小、重量轻、使用方便。除电动葫芦和绞车外，绝大多数用人力驱动，适用于工作不繁重的场合。它们可以单独使用，有的也可作为起重机的起升机构。有些轻小型起重设备的起重能力很大，如液压千斤顶的起重量已达 750吨。升降机主要作垂直或近于垂直的升降运动，具有固定的升降路线，包括电梯、升降台、矿井提升机和料斗升降机等。起重机是在一定范围内垂直提升并水平搬运重物的多动作起重机械。架空单轨系统具有刚性吊挂轨道所形成的线路，能把物料运输到厂房各部分，也可扩展到厂房的外部。
1.2.1 轻小型起重设备
主要包括起重滑车、吊具、千斤顶、手动葫芦、电动葫芦和普通绞车，大多体积小、重量轻、使用方便。除电动葫芦和绞车外，绝大多数用人力驱动，适用于工作不繁重的场合。它们可以单独使用，有的也可作为起重机的起升机构。有些轻小型起重设备的起重能力很大，如液压千斤顶的起重量已达750吨。
起重滑车是一种重要的吊装工具，它结构简单，使用方便，能够多次改变滑车与滑车组牵引钢索的方向和起吊或移动运转大重量的物体，特别是由滑车联合组成的滑车组，配合卷扬机，桅杆或其他起重机械，广泛应用在建筑安装作业中。
千斤顶是一种用钢性顶举件作为工作装置，通过顶部托座或底部托爪在行程内顶升重物的轻小起重设备。按结构特征可分为齿条千斤顶、螺旋千斤顶和液压千斤顶3种。由人力通过螺旋副传动，螺杆或螺母套筒作为顶举件。普通螺旋千斤顶靠螺纹自锁作用支持重物，构造简单，但传动效率低，返程慢。自降螺旋千斤顶的螺纹无自锁作用，装有制动器。放松制动器，重物即可自行快速下降，缩短返程时间，但这种千斤顶构造较复杂。螺旋千斤顶能长期支持重物，最大起重量已达100吨，应用较广。
1.2.2 升降机
升降机是一种垂直运送人或物的起重机械、公司生产的升降机可分为:四轮移动式升降机、两轮牵引式升降机、自行式升降机、曲臂式升降机、套缸式升降机、汽车改装式升降机、电瓶车式升降机、自行式升降机、起升高度从4米至18米不等。此系列产品载重分为0.1至0.8吨,也可根据用户要求定做特殊升降机，最高载重可达10吨。可在工厂或自动仓库等物流系统中进行垂直输送的设备，升降机上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降机。除作为不同高度的货物输送外，广泛应用于高空的安装、维修等作业。升降机自由升降的特点已经广泛运用于市政维修，码头、物流中心货物运输，建筑装潢等，安装了汽车底盘、电瓶车底盘等能自由行走，工作高度空间也有所改变，具有重量轻、自行走、电启动、自支腿、操作简单、作业面大，特别是能够跨越障碍进行高空作业等360度自由旋转优点。
1.2.3 起重机
起重机(Crane)属于起重机械的一种，是一种作循环、间歇运动的机械。一个工作循环包括：取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环。通常起重机械由起升机构(使物品上下运动)、运行机构(使起重机械移动)、变幅机构和回转机构(使物品作水平移动)，再加上金属机构，动力装置，操纵控制及必要的辅助装置组合而成。起重机可分为两大类：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。
中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。是一种兼有汽车起重机和越野起重机特点的高性能产品。它既能像汽车起重机一样快速转移、长距离行驶，又可满足在狭小和崎岖不平或泥泞场地上作业的要求，即行驶速度快，多桥驱动，全轮转向，三种转向方式，离地间隙大，爬坡能力高，可不用支腿吊重等功能，是一种极有发展前途的产品。但价格较高，对使用和维护水平要求较高。
1.2.4 LDA 型电动单梁起重机
LDA型电动单梁起重机是在LD基础上进行改进设计的，较LD型具有结构合理，整机刚性强的特点，整机与CD1、MD1、HC型电动葫芦配套使用，是一种轻小型起重机械，额定起重量一般为1—10t，跨度为7.5—22.5m，工作级别为A3—A5，工作环境温度为-25~40度。该产品广泛用于工厂、仓库、料场等不同场合吊运货物，禁止在易燃、易爆、腐蚀性介质环境中使用。下图得外形图分别是LDA型电动单梁起重机的正视图和俯视图[4]。

图1.1 LDA型电动单梁起重机（正视图）

图1.2 LDA型电动单梁起重机（俯视图）
下表1-1针对电动单梁起重机列出了LDA型电动机的运行速度，减速比，起升速度，起升高度等数据，具体如下：
表1-1 LDA型电动单梁起重机数据
起重机运行结构Crane
Motion
mechanism
运行速度moving speed(m/min)
20
30
45
60
75
减速比
58.95
39.42
26.38
19.37
15.88
电动机
型号
ZDY21-4
ZDR12-4
功率
2x0.8
2x1.5
转速
1380
起重机构(电动葫芦)及电动葫芦运行机构

电动葫芦
CD1型MD1型
起升速度
8 8/0.8
起升高度
6;9;12;18;24;30
运行速度
20;30
电动机
锥形鼠笼型
工作制度
A3-A5
电源
3相
车轮直径
270mm
轨道面宽
37-70mm
1.2.5 架空单轨起重机械
这种系统主要用在铸型车间、喷漆车间、装配车间、仓库和屠宰场等处的流水生产线中运送物料。它还可和悬挂梁式起重机（见桥式起重机）组合使用，以扩大服务范围。它的特点是-能充分利用厂房的空间，通过很多支线把物料运送到各个作业地点，并可扩展到厂房外部，在相隔较远的建筑物之间搬运物料。起重量一般在15吨以下。架空单轨系统由固定轨道、岔道和起重小车3个部分组成。①固定轨道-由型钢或特殊截面梁组成，吊挂在厂房屋架或独立的支架上，一般形成闭合环路。起重小车大多在其下翼缘运行，要求翼缘的运行表面平整。当在不同高度或在楼层之间搬运物料时，可采用轨道升降段（见悬挂输送机）。②岔道-用以接通固定轨道和选择起重小车运行线路的活轨道（图2 [岔道]）。岔道分转舌型、平移型和转盘型3种。转舌型岔道可以是双路转接的Y型，也可以多路转接。活动舌轨的一端和固定轨道铰接，另一端可沿支承导轨移动，直到与所需的线路相连接。它的构造较简单，重量较校平移型岔道的岔轨框架沿固定导轨移动，使主线路与所需分支相连，可以转接平行轨道。转盘型岔道的岔轨装在可绕垂直轴转动的框架上，可以带起重小车转过360°(通常为90°),当要求尺寸紧凑时采用这种岔道。岔道可以是手动、气动或液压驱动的。为了使小车在脱开或衔接轨道时不坠落，在轨道的端部安装定位闭锁装置。③起重小车-可以是自行的，也可以是手推的[5]。常直接采用运行式电动葫芦作为起重小车。架空单轨系统可以是手动半自动和自动控制的；可以在小车上的司机室内或在地面控制；也可以远距离控制。自动控制的架空单轨系统可按规定程序完成所要求的选址和工艺操作。

图1-3 平移型岔道 图1-4 转盘型岔道
1.3 起重机械-工作原理
1.3.1 驱动装置
驱动装置是用来驱动工作机构的动力设备的。常见的驱动装置有电力驱动、内燃机驱动和人力驱动等。电能是清洁、经济的能源，电力驱动是现代起重机的主要驱动型式，几乎所有的在有限范围内运行的有轨起重机、升降机、电梯等都采用电力驱动。对于可以远距离移动的流动式起重机（如汽车起重机、轮胎起重机和履带起重机）多采用内燃机驱动。人力驱动适用于一些轻小起重设备，也用作某些设备的辅助、备用驱动和意外（或事故状态）的临时动力。
1.3.2 工作机构
工作机构包括：起升机构、运行机构、变幅机构和旋转机构，被称为起重机的四大机构。
（1）起升机构，是用来实现物料的垂直升降的机构，是任何起重机不可缺少的部分，因而是起重机最主要、最基本的机构。
（2）运行机构，是通过起重机或起重小车运行来实现水平搬运物料的机构，有无轨运行和有轨运行之分，按其驱动方式不同分为自行式和牵引式两种。
（3）变幅机构，是臂架起重机特有的工作机构。变幅机构通过改变臂架的长度和仰角来改变作业幅度。
（4）旋转机构，是使臂架绕着起重机的垂直轴线作回转运动，在环形空间运移动物料。起重机通过某一机构的单独运动或多机构的组合运动，来达到搬运物料的目的。
1.3.3 取物装置
取物装置是通过吊、抓、吸、夹、托或其他方式，将物料与起重机联系起来进行物料吊运的装置。根据被吊物料不同的种类、形态、体积大小，采用不同种类的取物装置。例如，成件的物品常用吊钩、吊环散料（如粮食、矿石等）常用抓斗、料斗；液体物料使用盛筒、料罐等。也有针对特殊物料的特种吊具，如吊运长形物料的起重横梁，吊运导磁性物料的起重电磁吸盘，专门为冶金等部门使用的旋转吊钩，还有螺旋卸料和斗轮卸料等取物装置，以及集装箱专用吊具等。合适的取物装置可以减轻作业人员的劳动强度，大大提高工作效率。防止吊物坠落，保证作业人员的安全和吊物不受损伤是对取物装置安全的基本要求。
1.3.4 金属结构
金属结构是以金属材料轧制的型钢（如角钢、槽钢、工字钢、钢管等）和钢板作为基本构件，通过焊接、铆接、螺栓连接等方法，按一定的组成规则连接，承受起重机的自重和载荷的钢结构。金属结构的重量约占整机重量的40％～70％左右，重型起重机可达90％；其成本约占整机成本的30％以上。金属结构按其构造可分为实腹式（由钢板制成，也称箱型结构）和格构式（一般用型钢制成，常见的有根架和格构柱）两类，组成起重机金属结构的基本受力构件。这些基本受力构件有柱（轴心受力构件）、梁（受弯构件）和臂架（压弯构件），各种构件的不同组合形成功能各异的起重机。受力复杂、自重大、耗材多和整体可移动性是起重机金属结构的工作特点。
1.3.5 控制操纵系统
通过电气、液压系统控制操纵起重机各机构及整机的运动，进行各种起重作业。控制操纵系统包括各种操纵器、显示器及相关元件和线路，是人机对话的接口。安全人机学的要求在这里得到集中体现。该系统的状态直接关系到起重作业的质量、效率和安全。
起重机与其他一般机器的显著区别是庞大、可移动的金属结构和多机构的组合工作。间歇式的循环作业、起重载荷的不均匀性、各机构运动循环的不一致性、机构负载的不等时性、多人参与的配合作业等特点，又增加了起重机的作业复杂性、安全隐患多、危险范围大。事故易发点多、事故后果严重，因而起重机的安全格外重要。
1.4 起重机械基本机构
各种起重机械的用途不同，构造上有很大差异，但都具有实现升降这一基本动作的起升机构。有些起重机械还具有运行机构、变幅机构、回转机构或其他专用的工作机构。物料可以由钢丝绳或起重链条等挠性件吊挂着升降，也可由螺杆或其他刚性件顶举。
1.4.1 起重机械性能参数
表征起重机械基本工作能力的最主要的性能参数是起重量和工作级别。
(1)起重量是指在规定工作条件下允许起吊的重物的最大重量，即额定起重量。一般带有电磁吸盘（见起重吸盘）或抓斗的起重机，其起重量还应包括电磁吸盘或抓斗的重量。臂架型起重机的起重量还包括吊钩组的重量。
(2)工作级别是反映起重机械总的工作状况的性能参数，是设计和选用起重机械的重要依据。它由起重机械在要求的使用期间内需要完成的工作循环总次数和载荷状态来决定。
(3)国际标准化组织(ISO)规定将起重机械工作级别划分为8级。中国只规定将起重机划分为8级,轻小型起重设备、升降机、架空单轨系统还没有划分级别。对于作业程序规律性强、重复性大的起重机械，例如码头上装卸船舶货物的起重机、高架仓库用的堆垛起重机和为高炉送料的料斗升降机，工作周期也是一个重要参数。
(4)工作周期指完成一个工作循环所需要的时间，它取决于机构的工作速度，并与搬运距离有关。上述起重机有时也用生产率作为重要参数，通常以每小时完成的吊运量来表示。
1.4.2 起重机械工作特点
1）起重机械通常结构庞大，机构复杂，能完成起升运动、水平运动。例如，桥式起重机能完成起升、大车运行和小车运行3个运动；门座起重机能完成起升、变幅、回转和大车运行4个运动。在作业过程中，常常是几个不同方向的运动同时操作，技术难度较大。
2）起重机械所吊运的重物多种多样，载荷是变化的。有的重物重达几百吨乃至上千吨，有的物体长达几十米，形状也很不规则，有散粒、热融状态、易燃易爆危险物品等，吊运过程复杂而危险。
3）大多数起重机械，需要在较大的空间范围内运行，有的要装设轨道和车轮（如塔吊、桥吊等）；有的要装上轮胎或履带在地面上行走（如汽车吊、履带吊等）；有的需要在钢丝绳上行走（如客运、货运架空索道），活动空间较大，一旦造成事故影响的范围也较大。
4）有的起重机械需要直接载运人员在导轨、平台或钢丝绳上做升降运动（如电梯、升降平台等），其可靠性直接影响人身安全。
5）起重机械暴露的、活动的零部件较多，且常与吊运作业人员直接接触（如吊钩、钢丝绳等），潜在许多偶发的危险因素。
6）作业环境复杂。从大型钢铁联合企业，到现代化港口、建筑工地、铁路枢纽、旅游胜地，都有起重机械在运行；作业场所常常会遇有高温、高压、易燃易爆、输电线路、强磁等危险因素，对设备和作业人员形成威胁。
7）起重机械作业中常常需要多人配合，共同进行。一个操作，要求指挥、捆扎、驾驶等作业人员配合熟练、动作协调、互相照应。作业人员应有处理现场紧急情况的能力。多个作业人员之间的密切配合，通常存在较大的难度[6]。
起重机械的上述工作特点，决定了它与安全生产的关系很大。如果对起重机械的设计、制造、安装使用和维修等环节上稍有疏忽，就可能造成伤亡或设备事故。一方面造成人员的伤亡，另一方面也会造成很大的经济损失。
1.4 负载的分类
设计传动系统，或者选择传动控制方案时，必须首先考虑传动对象——负载的特点，即工作机械的机械特性n=f(Tl)。因为它是影响设计方案的一个重要方面（另一个方面是电动机特性）。工作机械的具体性质不同，所形成的负载特性也各不相同。
按负载转距Tl随速度的变化规律分，有恒转距负载和变转距负载。恒转距负载的负载转距不随转素变化，其负载特性在n-T坐标图上为一条垂线（图1-5中的特性①）。变转距负载的负载转距随转速变化，其负载特性在n-T坐标图上为斜线或弧线（图1-5中的特性②，③，④）。变转距负载的一个特例是所谓恒功率负载，这时负载转距与转速成反比变化，但近似保持功率不变（图1-5中的特性④）。

图 1-5 负载特性的分类曲线图
按转距的作用方向和电动机旋转方向的关系分，又有阻性负载和位能负载的区别，阻性负载的作用方向恒与电动机旋转方向相反，起阻碍运动作用。随着旋转方向的变化，这类负载的特性在n-T坐标图上分别位于第一和第三象限。位能负载作用方向则随电动机旋转方向的变化而变化，即某个旋转方向时起阻碍作用，另一个旋转方向时则又起帮助运动的作用（这时称为动力负载）。这类负载特性位于n-T坐标图上的第一和第四象限，图1-6以恒转距特性为例画出了这两种负载特性。

图 1-6 阻性负载和位能负载的特性
实际的负载特性有时会出现比上述情况更为复杂的情况，例如考虑摩擦转距时恒转距特性在启动阶段也会出现曲线情况等。在此就不做具体介绍了。
1.6 工作制和工作条件
1）工作制
关于工作制，IEC标准对不同的产品的规定不尽相同，因而我国各有关行业所用的术语和具体规定也有所不同。
电机行业按IEC的规定采取了9种[2]工作制的方法，即：连续工作制，短时工作制，断续工作制，包括电制动的连续周期工作制，其对应代号分别为S1~S9。按起重机的工作情况，实际涉及前5种工作制[7]。其中属于S1，S2工作制的多数是辅助机构传动系统。起升，平移等工作机构传动系统则一般属于S3~S5三种工作制，即包括或不包括起制动情况的断续周期工作制。
电器行业则综合各对应IEC标准的规定采用了5种[2]工作制的方法，即：八小时工作制，不间断工作制，短时工作制，断续周期（重复短时）工作制和周期工作制。在八小时工作制和不间断工作制下，电器都已经达到热稳定。两种工作制的其别在于不间断工作制下触头上的氧化层和尘污积聚严重，会导致触头发热恶化，使电器的寿命降低。
电控设备行业没有单独规定工作制参数。在实际设计中，设计人员应按系统的实际工作制情况确定对所选电器元件的工作制要求。
起重机传动控制系统的特点主要是由工作机构确定的，因而断续周期工作制也就成为起重机传动控制系统设计时应主要考虑的工作制
2） 使用条件
IEC标准和我国电控设备行业标准都把起重机电控设备产品列为在特殊条件下使用的产品。这种特殊主要指使用环境存在严重振动。我国标准规定，设计控制系统时，起重机上电控设备各安装部位的最高震动条件按下列参数考虑：5~13Hz时，位移不超过1.5mm;14~150Hz时，加速度不超过10m/s2。
有相当一部分起重机是在户外使用的，其上安装的电空设备所处的环境比较恶劣，甚至有些设备还处于高危险环境中，所以必须根据环境合理的选择电控设备。
1.7 起重机传动控制系统的调速要求
和其他调速系统比较，起重机传动控制系统是调速要求比较粗的传动系统。对起重机传动控制系统的要求主要是保证机构能够停稳、停准。调速要求比较低的起重机或工作机构只要有电制动措施冗成停车前的降速，有高速档位完成快速运行即可满足主要要求，对低速档的调速精度和特性硬度要求不高。调速要求较高的起重机或工作机构，通常要求有一档或一档以上较稳定的低速。由于负载变化较大，对特性硬度有一定要求，但对调速精度的要求也不是很高。不论调速要求高低，各档位之间的切换都要求平稳，不引起过大的神击。因为多属断续周期工作制，工作周期要求相对较短，故对调速方案的效率要求不甚严格，但对安全系数即可靠性要求较高。
鉴于以上情况，起重机传动控制系统所采用的调速方案应当经济可靠、操作方便、保证安全，即可满足要求。
1.8 电机控制性能及其应用
1.8.1 电机控制原理
电机控制器原理是以步阶方式分段移动，直流电机和无刷直流电机通常则采用连续移动的模拟控制方式。
1.8.2 电机的分类
电机控制器原理可以根据电机结构、驱动架构和步进方式来分类。步进电机的结构有好几种，包括可变磁阻 (variable reluctance)、永磁和混合式永磁 (hybrid permanent magnet)，永磁步进电机的成本很低，多半用于价格低廉的消费性产品。
电机控制器原理混合式步进电机的价格略高，是工业移动控制应用最常见的电机。可变磁阻电机通常有3或5个相位，需要采用不同的驱动电路架构。
电机控制器原理在单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动架构。单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。
电机控制器原理在这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。
电机控制器原理它会使用八颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。
双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，电机控制器原理其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。
直流和无刷直流电机 直流电机是最常见和成本最低的小型电机，电机控制器原理并且广泛用于各种应用。无刷直流电机宣称能提供更高可靠性以及更低噪声和成本，然而到目前为止，它却只能在磁盘或计算机风扇等少数量产应用中取代传统直流电机。
电机控制器原理在某些应用里，无刷直流电机有多项优点胜过传统电刷电机，例如它以电子组件和传感器取代电刷，不但延长电机寿命和减少维护成本，而且也没有电刷产生的噪音。直流电机的特性使它成为调速系统最容易使用的电机。
1.8.3 电机控制原理的应用
1）电机控制器原理在许多应用都会用到功率低于300 W的小型电机，例如汽车、打印机、复印机、纸张处理机、工厂自动化、太空和军事载具、测试设备和机械人。整体而言，电机的产量约和其功率大小成反比，这表示小型电机的产量远超过大型电机。
2）电机控制器原理应用最广泛的小型电机包括直流电机、无刷直流电机和步进电机。 步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于它们的驱动方式。
3）电机控制器原理是以步阶方式分段移动，直流电机和无刷直流电机通常则采用连续移动的模拟控制方式。由于步进电机采用步阶移动，所以特别适合绝对寻址应用，目前市场上常见的步进电机已能提供每一步1.8°或0.9°的精确移动能力。
4）电机控制器原理采用直接控制方式，它的主要命令和控制变量都是步阶位置 (step position)；相形之下，直流电机则是以电机电压做为控制变量，以位置或速度做为命令变量。直流电机需要反馈控制系统，它会以间接方式控制电机位置，步进电机系统多半则是以「开环」方式进行操作。

2 龙门起重机整体结构的设计
2.1 龙门起重机
龙门起重机为大型机械，下图简单介绍了一些龙门起重机的起重量，幅度，各种速度，轮压，装载容量等数据，据图如下表2.1
表2.1龙门起重机数据介绍
起重量
T
吊钩
16/25
25/40
40
抓斗
16
16
16
幅度
M
max
35/25
33/24
35
min
9.5
9.5
11.5
起升高度
M
H轨上
吊钩
28
28
28
抓斗
21
20
18
H轨下
15
15
16
起升速度
m/min

70/30
55/25
60/30
变幅速度
m/min

60
50
40
回转速度
r/min

1.53
1.2
1.2
运行速度
m/min

26
26
25
轨距
M

10.5
10.5
16
基距
M

10.5
10.5
10.5
尾部旋转半径
M

8.5
8.5
9
门架净空高度
M

6
6
6.5
最大轮压
kN

260
300
300
工作风速
m/s

20
20
20
非工作风速
m/s

55
55
55
装机容量
kW

450
550
550
电源
低压或高压 low voltage or high voltage
2.1 工作级别的确定
2.2.1 工作级别的划分
起重机通过起升和移动所吊运的物品完成搬运作业，为使用起重机不同的使用情况和工作要求，在设计和选用起重机及零部件时，应对起重机及其组成部分进行工作级别的划分，包括：
------起重机整机的分级；
------机构的分级；
------结构件或机械零件的分级。
下文中关于工作级别确定中的各系数，如总工作循环数Cr,荷重谱系数Kp,总使用时间Tr，载荷谱系数Km等，在规范3811中给出了一定的计算公式，本文仅给出我们的工作级别的选择，对这些系数的计算不进行详述。
2.2.2 起重机整机的分级
1） 起重机的使用等级
起重机的设计预期寿命，是指设计预设的该起重机从支付使用到起最终报废时止能完成的总工作循环数。起重机的一个工作循环是指从起吊一个载荷起，到能开始吊下一个荷重时止，包括起重机运行及正常的停歇在内的一个完整的过程。
起重机的使用等级是将起重机可能完成的总工作循环数划分成的10个级别，用U0，U1,U2……U9表示。这里根据实际的工况选择U5级别。
2） 起重机的荷重状态级别
起重机的工作荷重，是指起重机各次实际的起吊作业中吊运的物品质量和吊具及属具质量的总和：起重机的额定工作荷重，是指起重机起吊额定起重量时能安全吊运的物品最大质量和吊具及属具质量的总和。工作荷重与额定工作荷重的单位为T或Kg[8]。
起重机的荷重状态级别表明了该起重机工作荷重的情况，即：在该起重机的预设预寿命期限内，它的各个有代表性的工作荷重值的大小及各相对应的起吊次数，与起重机的额定工作荷重值的大小及总的起吊次数的比值情况。在设计时须有一定的过载能力，选择Q2级别。
3） 起重机整机的工作级别
在GB3811中，根据起重机的饿10个使用等级和4个荷重状态级别，起重机整机的工作级别划分为A1~A8共8个级别，见下表2-2：
表2-2 起重机整机的工作级别
荷重状态级别
荷重谱系数Kp
起重机的使用等级

U0 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9
Q1
Kp<0.125
A1
A1
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
Q2
0.125~0.250
A1
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A8
Q3
0.250~0.500
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A8
A8
Q4
0.500~1.000
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A8
A8
A8
综合1）和2），这里选择A5级别。
2.2.3 机构的分级
1) 机构的使用等级
机构的设计预期寿命，是指设计预设的该机构从开始使用其道预期更换或最终报废而停止为止的总运转时间，它只是该机构实际运转小时数累计之和，而不包括工作中此机构的停歇时间。机构的使用等级是将该机构的总运转时间分成的10个等级，以T0,T1,T2……T9表示。
2）机构的载荷状态级别
机构的载荷状态级别表明了机构所受载荷的轻重情况。在GB3811中按照承受载荷大小分为L1~L4四个级别，系统的三大机构均选择L2级别。
3) 机构的工作级别
机构工作级别的划分只是将各单个机构分别作为一个整体进行的关于其载荷轻重及运转繁忙情况总的评价，它并不表示该机构中所有的零部件都有与此相同的受载及运转情况。根据机构的10个使用等级和4个载荷状态级别机构单独作为一个整体进行分级的工作级别划分为M1~M8共8级，见下图2.1：
图2.1：机构的工作级别
载荷状态级别
载荷谱系数（Km）
机构的使用等级
T0
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
L1
Km<0.125
M1
M1
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
L2
0.125~0.250
M1
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M8
L3
0.250~0.500
M1
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M8
M8
L4
0.500~1.000
M2
M3
M4
M5
M6
M7
M8
M8
M8
M8
综合1和2可知起升机构和小车机构工作级别为M6，行走机构工作级别为M5。
2.3 各类载荷的计算
起重机是一种短周期循环工作的机械，这一特点导致了起重机实际载荷的多边性。实际上不仅在不同的循环中载荷是不同的，而且在同一循环过程中即使起升载荷不变，也有载行程和空载行程的差别，由于每一循环均要经历多次启动，制动，懂载荷也会重复出现这些载荷。一般来说作用在龙门起重机上的外载荷又：额定载荷，自重载荷，不稳定运行时的动力载荷，凤载荷，冲击载荷，车轮侧向载荷，碰撞载荷，地震载荷和冰雪载荷等。这些载荷也是进行设计，计算式的重要依据。
2.3.1 起升载荷（起重量载荷）
对一般起升高度的龙门起重机，起重量是指起重能够起吊的最大货物的重量（包括吊具10t），在本设计为20t。
2.3.2 自重载荷
龙门起重机的自重包括机械设备，电气设备和金属结构的重量。设计时可参考参数相近的同类型的龙门起重机的自重进行估算。对普通无悬臂龙门起重机上部主梁自重，可取同类型同跨度桥式起重机桥架自重，支腿单位长度重量约为桥架单位长度重量的0.2~0.4倍，这里我们根据经验公式计算如下：
Gq=2x0.5 （2-1）
双梁桥架支腿单位长度自重一般为主梁单位长度自重的0.2到1.4倍，这里取主梁单位长度自重的0.4倍。
Gzt=(15/20)x0.4x4.5x4=5.4t （2-2）
再加上两个电动葫芦的16t，得到龙门起重机的自重约为50t。

2.4 龙门起重机电气系统
1）起升机构
本系统起升机构采用2个8吨电动葫芦，一边一个，分别由2个锥形转子电动机驱动，同时启动运行，起升最大速度7米/分，采用Y-△启动方式，接触器控制，运行速度只有一档。若起升过程中，两边起升高度出现误差超过一定范围，需要同步时，则由PLC经过判断，控制其中一台电机，改变为Y形接法，改变机械特性，微调其起升速度，达到自动同步的目的。若仍不能达到同步，则暂停起升，可单独点动运行其中一台电机进行调整。安装编码器检测两边起升高度。
2）小车机构
小车运行于工字钢轨道，由两个带制动器的三相鼠笼电机驱动。运行速度设为3档，高速为20米/分。采用交流变频调速方式进行调速，两个变频器分别驱动两个电机，轴上安装编码器，由可编程控制器判断运行偏差，并控制变频器对电动机进行同步微调。
3）大车运行机构
大车运行机构采用静液压传动闭式油路行走驱动系统，两轴线，8个轮胎，分为4组，各组采用独立转向控制。
整机控制系统：
系统选用控制系统采用PLC控制。采用西门子S7-300系列PLC作为控制核心,实现整车控制。

3 龙门起重机起升机构的设计
3.1 起升机构负载特点
龙门起重机的起升机构属于位能负载，上升时起阻碍运动作用，下降时则起帮助运动作用，其特性为位于一，四象限的垂线。由于机构效率的影响，同样的负载下起升机构的升，降负载转矩并不相等，负载特性在一，四象限也不是同一条直线。上升时，机构摩擦转矩的负载转矩作用方向相同，都起阻碍运动作用，使总负载转矩增加：下降时，负载转矩起帮助运动作用而机构摩擦转矩仍起阻碍作用，二者作用方向相反，使总的负载转矩减少。机构摩擦转矩的影响可用机构效率N来表示。上升时的总负载转矩为负载转矩除以机构效率。即 Tr=Tl/n：下降时的总负载转矩则为负载转矩乘以机构效率，即Td=TlxN。因而同样负载下上升和下降时的总负载转矩相差N倍。机构效率一般在0.85~0.9之间，故同样负载条件下的下降总负载转矩约为上升总负载转矩的0.72~0.81倍。
3.2 起升机构的电动机容量计算和校验
起升机构电动机的运行特点是，启动时惯性载荷较小，所需的加速力矩很小，只有满载稳定运行力矩的10%~20%，而电动机的平均起动力矩通常为电动机额定力矩的1.6~1.8倍，使得启动时间较短（约1~2S左右）。因此起升机构在运行中可忽略启动过程，认为电动机处于S3工作制运行。
1） 电动机初选
在起升机构中，电动机所需力矩等于满载起升的稳定力矩。则电动机功率可按起升静功率计算
（3-1）
其中 ；
---起升载荷
---额定起升速度
---机构总效率
由上面计算式得；

这里由于我们采用的双电动机同步升装置，《起重机设计规范》规定每一机构电动机静功率取为总功率的0.66倍[9]，所以每单个电动机功率为；

1）电动机的过载校验
规范规定：“电动机的最大力矩或堵转力矩应保证机构的启动需要。”，这就说明，电动机的额定力矩应大于一定的数值，才能保证在任何情况下机构均能启动。因力矩与功率成一定的比例，故在校验计算中，常以功率来表示。起升机构过载校验见下式：
（3-2）
式中—基准接电持续率时，电动机额定功率(kw)
—基准接电持续率时，电动机转矩允许过载倍数；
—系数，笼型电机时取2.2；
—电动机的个数。
由式计算得 ：

查看电动机样本，选择锥形转子电动机ZD151，额定功率18.5Kw,最大转矩倍数3.0，功率因数0.82，静制动力矩225..4N.m，转动惯量1.12kg/M2。
锥形转子电动机的特点是制动器和电动机合为一体，当电动机定子通电时，除产生旋转力矩外，同时产生轴向磁拉力，使转子轴向移动，压缩制动弹簧，松开制动轮，转子随即开始运转。当电动机断电时，轴向磁拉力消失，制动轮在制动弹簧力的作用下产生力矩，电动机迅速停止运转。这种电动机本身结构紧凑，牢固可靠，能经受频繁的运动，制动，逆转，机械振动的冲击，具有足够大的启动转矩，过载能力强，制动性能好。
1) 电动机的启动时间校验
机构启动时，电动机的启动力矩使原来静止开始运动，一部分克服静阻力矩，另一部分使运动质量加速。启动时间按下式计算：
（3-3）
-----机构的启动时间，单位为秒（S）
n ----电动机额定转速，单位为转每分（r/min）
---起升机构启动时间的推荐值，单位为秒（S），见表
K------其他传动件的转动惯量折算到电动机轴上的影响系数，K1.05~1.20
J1------电动机转子的转动惯量，单位为千克二次平方（）
J2------电动机轴上制动轮和联轴器的转动惯量，单位为千克二次平方米（）
g------重力加速度，取g=9.81m/s2:
---电动机平均启动转矩，单位为牛米（）
---与额定起升载荷对应的电动机稳定起升阻力距，单位为牛米（）
------电动机平均启动转矩倍数，这里取2.5
------对三相笼型电动机，应为名牌功率对应的最大转矩，单位为牛米（N.M）
------额定起升载荷，单位为牛（N）
D------卷筒的计算卷绕直径，单位为米（M）